基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法

1.本发明涉及一种氢燃料电池的产生方法，尤其涉及一种基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法。本发明是发明名称为基于含氢原料气产生质子的方法及应用、申请号为2023105524750的分案申请。


背景技术：

2.提出“双碳”目标，完善绿色低碳体系，寻求新的清洁能源成了发展的一大主题。其中氢能是一种清洁高效、来源广泛的二次能源，氢气具有高的热值，能量密度可以达到140.4kj/kg，且对环境友好，燃烧产物无碳排放，开发和利用氢能源是目前全球产业创新和能源转型的主要战略方向。目前氢气已广泛应用于航天、军事应用、化学电源等领域。
3.从开发或制取的角度来说，目前的煤气化制氢、天然气制氢、甲醇制氢、工业副产氢和电解水制氢等制备氢气的过程中，总是有氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等杂质气体，导致纯度无法达到高精度的使用标准。此外，目前多数化工企业排放的尾气中含有大量的氢气和含氢原料气(如甲烷、氨气、氯化氢、乙烷、甲醛等)，现有的生产工艺将此尾气直接排入火炬系统。生产过程中一方面要消耗大量的氢气，另一方面又有相当一部分氢气随尾气排放，这不仅造成氢气资源的浪费；而且造成生产成本上升。因此，从混合气和废气中提取洁净的氢气成为人们关注的焦点。目前针对从混合气体中提纯分离氢气有三种主流方法，深冷分离法、变压吸附分离法和膜分离法。深冷分离法需要将混合气体从气态成液态，会耗费大量的能量和成本，且灵活性差。而变压吸附分离法需要通过控制温度和压强来达到变压吸附实现分离氢气，设备较大，而且占地面积大。而膜分离法具有操作简单、能耗少、占地面积小、连读运行等独特优势，目前常见的膜金属、沸石、聚合物等，目前使用膜分离混合气体是一种完全的物理过程，通常是利用聚合物薄膜或无定形碳膜，因此必须通过控制膜的孔尺寸，如孔大小为0.25nm时，h2刚好可以通过，但ch4不能通过。但孔的渗透率和扩散系数易于受到温度、湿度、压强等环境因素的影响，导致选择性降低。而且以上三种方法普遍只能在特定温度或者较低的温度下实现，无法广的温度量程范围内实现氢气的分离提纯。
4.从利用氢能源的角度来看，氢燃料电池无疑是在碳中和愿景下完善低碳清洁供氢体系助力碳中和的关键因素。氢燃料电池不受卡诺循环的制约，因此能量转换效率高、功率和密度大、发电过程对环境影响小，是继水利发电、热能发电和原子能发电之后的第四代发电技术，其在分布式电站、电动汽车、舰船潜器、航空航天、移动通信和武器装备等领域具有广阔的应用前景。
5.氢燃料电池中应用最广泛的就是质子交换膜燃料电池，与其他液体电解质燃料电池相比，采用具有良好质子传导能力的固相质子交换膜，既避免了液态电解质操作的不便，又可以将质子交换膜做成几十微米的薄膜，从而提高电池的能量密度，因此具有高功率密度、高能量转换效率、室温快速启动、无电解质泄露、低的工作温度以及快速启动和停止特性等特点，被公认为最有希望成为航天、军事、电动汽车和区域性电站的首选电源。质子交
换膜燃料电池关键材料主要包括质子交换膜、催化剂、气体扩散层、双极板等主要部件。以氢气为原料时，阳极的氢气在催化剂的催化作用下被分解成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
通过质子交换膜传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动阴极。然而，实现质子交换膜燃料电池的大规模商业化还存在困难，主要在于质子交换膜、气体扩散层和催化剂等关键材料的成本太高。而对于催化剂而言，阳极的催化剂只能使用pt族金属或者含有金属的负载材料，还没有发现非贵金属的催化剂。以甲醇为燃料为例，pt不能完全催化甲醇，会产生co和其他含氧有机烃类小分子化学物，而co会毒害金属催化剂。目前常用的商业化的催化剂是碳负载pt型催化剂，采用pt纳米颗粒负载于碳载体是质子交换膜燃料电池的最佳选择。从技术层面看，如果可以利用无贵金属的质子交换膜燃料电池，采用价格便宜的催化剂替代贵金属催化剂将是更优的选择。
6.此外，氢燃料电池的关键技术是氢气的存储及释放。就单纯的储氢而言，常规的储氢方式包括液化储氢、高压储氢、非金属和金属材料的固体储氢等，其中固体储氢因其具备相对更高的体积储氢密度、低储氢压力、安全性高和耗能少等优点，被认为是未来氢气储运的发展趋势，也可作为氢燃料电池的顶尖技术。固体储氢材料主要包括金属合金材料、碳基材料、无机多孔材料、化学氢化合物材料和金属有机骨架化合物材料等。但目前各种储氢材料仍需要提高其在安全性、体积储氢密度、质量储氢密度等方面的性能，否则无法满足对氢能实际利用的要求。理想的储氢材料既能够在温和条件下工作，又具有较大的重量储氢密度、体积储氢密度和长服役寿命。最常被要求的目标是质量储氢密度超过6wt％，放氢温度低于250℃以及工作压力低于2mpa等。随着固体储氢技术的不断深入研究，利用富勒烯、石墨烯及碳纳米管材料具有中空管状结构和巨大的比表面积等特点，理论上被期待成为高效的储氢材料。研究发现，碳纳米管材料与氢气的相互作用是弱物理吸附，是可逆吸附，脱附较容易，有利于降低放氢温度，但缺点在于选择性不高，分离系数小，并且其质量储氢密度在通常条件下只有0.2wt％，无法用作高效的氢气储运。虽然化学吸附的储氢密度得到提高，缺点是吸附剂解吸附困难，由于有些化学吸附的结合力很强，导致吸附过程不可逆，脱吸附温度过高，无法实现实际的应用。因此，固态材料中开发高密度的新型储氢技术和可逆储/放氢技术是目前的研究重点。


技术实现要素：

7.发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供了一种不受环境条件的影响、适用温度范围更广的基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法。
8.技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法，所述基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法包括以下步骤：
9.1)选取二维材料薄膜；
10.2)激活二维材料薄膜产生催化性能；
11.3)向二维材料薄膜的一侧通入含氢原料气；
12.4)在激活的二维材料薄膜的催化作用下，将通入的含氢原料气分解成质子和电子；
13.5)在浓度差以及电势差的驱动下，将步骤4)所制备得到的质子通过二维材料薄膜传递到电池的阴极，电子通过外电路由电池阳极移动到阴极，形成氢燃料电池。
14.作为优选，本发明所采用的二维材料薄膜是石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、二硒化铌以及二硒化钨中的一种或组合。
15.作为优选，本发明所采用的二维材料薄膜是石墨烯时，所述石墨烯的厚度是0.5nm～1mm；所述二维材料薄膜是六方氮化硼时，所述六方氮化硼的厚度是0.5nm～1mm；所述二维材料薄膜是二硫化钼时，所述二硫化钼的厚度是0.7nm～1mm。
16.作为优选，本发明所采用的二维材料薄膜的尺寸是100nm2～1m2，优选尺寸是100nm2～100cm2；
17.作为优选，本发明所采用的步骤2)中的激活的具体实现方式是：向二维材料薄膜中引入电子、对二维材料薄膜加热和/或对二维材料薄膜进行光照辐射。
18.作为优选，本发明所采用的步骤2)中的激活是向二维材料薄膜中引入电子时，引入电子的方式是扫描电子显微镜注入电子、静电发生器注入电子和/或普通电源注入电子；引入电子的电流是1pa～10a，优选5pa～5na；引入电子时所采用的电压1v～50kv，优选1v～500v；引入电子的适用温度是-250℃～1000℃。
19.作为优选，本发明所采用的步骤2)中的激活是对二维材料薄膜加热时，加热所采用的温度是30℃～800℃。
20.作为优选，本发明所采用的步骤2)中的激活是对二维材料薄膜进行光照辐射时，所述光照是自然光光照、人造自然光光照和/或激光光照；所述光照所采用的光的波长小于1000nm；所述光照的适用温度是-250℃～1000℃。
21.作为优选，本发明所采用的步骤2)中激活是对二维材料薄膜进行光照辐射时，所述二维材料薄膜的表面附着有金属铂、金属钯、和/或金属镍。
22.作为优选，本发明所采用的步骤3)中的氢原料气是氢气、氩气、氨气、甲烷以及乙烷中的一种或组合。
23.有益效果：与现有技术相比，本发明具备以下优点：本发明提供了一种基于含氢原料气产生质子的方法，该方法能够利用光能、热能或注入电子等手段，在只能渗透质子的非金属材料催化分解含氢原料气生成质子的化学过程，质子穿过只能渗透质子的非金属材料。同时，本发明还提供了该方法作为制备纯洁氢气、制备氢燃料电池或储氢放氢时的应用。在制备纯洁氢气时，本发明利用质子可以自由穿越石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼等薄膜这一理念，质子穿越二维材料与电子重组形成氢气，从而实现从混合气和废气中提取高纯度的氢气。同时，本发明采用具有高机械性能、优异的化学稳定性和热稳定性的石墨烯、六方氮化硼等本征结构的二维薄膜，可实现超大的温度范围和压强范围的氢气分离提纯，相比常用的其他膜分离法中使用的薄膜，具有高的热稳定性，耐温性优异，因此适用温度范围非常大。况且，本发明所采用的含氢原料气包括氢气、氩气、氨气、甲烷、乙烷等含氢原料气，从多种混合气体中分离提纯获得高纯度的氢气，具有唯一性，对其他气体具有绝对排他性。本发明中通过控制电子注入、光两种方式，具有瞬时性，可在纳秒时间内实现提纯氢气的开关，本发明实现在未来航天、军事应用、燃料电池等的应用奠定了氢能源上的支撑。本发明在制备和提纯过程中，不使用任何有害物质，不产生任何有害物质，设备简单，占地面积小，且简单高效，所需能量少。
24.在制备氢燃料电池时，本发明利用光能、热能或注入电子等手段，二维材料催化分解含氢燃料生成质子和电子的化学过程，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
通过质子
交换膜传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极，从而实现质子交换膜燃料电池。本发明利用质子可以自由穿越石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼等薄膜这一理念，而其他原料燃料被二维材料阻隔，以防损伤质子交换膜，含氢燃料被二维材料催化分解生成的质子和电子，质子通过质子交换膜传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极，从而实现质子交换膜燃料电池。本发明可利用具有高机械性能、优异的化学稳定性和热稳定性的石墨烯、六方硼氮等本征结构的二维薄膜，可实现超大的温度范围和压强范围的氢燃料电池的应用。本发明所用二维材料具有阻隔燃料的特点，防止燃料泄漏到质子交换膜，且也可防止副产物一氧化碳对催化剂的毒化作用。在制备和使用过程中，不使用任何有害物质，不产生任何有害物质，设备简单，占地面积小，且简单高效，所需能量少。通过控制电子注入、光两种方式，具有瞬时性，可在纳秒时间内实现燃料电池的开关。本发明实现在未来航天、军事应用、燃料电池等的应用奠定了氢能源上的支撑。
25.在储氢放氢时，本发明利用石墨烯片、碳纳米管、富勒烯分子、六方氮化硼和二硫化钼等固态材料只能渗透质子的特性，结合氢气等离子体、光能、热能或注入电子等手段，在固态材料层间或者空腔内实现氢气的存储；而在氢气应用(放氢)时，利用光能、热能或注入电子等手段激活上述固态材料，催化分解氢气生成质子和电子，渗透出的质子和电子重新结合生成氢气，实现从固态材料层间和/或腔内释放氢气，实现氢气的储氢放氢。适用于石墨烯，六方氮化硼，二硫化钼，二硫化钨，二硒化钼，二硒化铌，二硒化钨等多种半金属、半导体、导体和绝缘体的层状材料、碳纳米管、富勒烯、硼氮纳米管等含空腔固体材料。本发明采用具有高机械性能、优异的化学稳定性和热稳定性的石墨烯、六方硼氮等本征结构的纯固体材料，无需任何元素掺杂，整个储氢和放氢过程中不破坏固体材料的本征结构，可实现反复储/放氢气和长服役寿命。本发明中放氢过程中，通过控制电子注入、光两种方式，具有瞬时性，可在纳秒时间内实现放氢过程的开关。本发明中使用固体材料的层间和/或腔内空间存储氢气，相比于常用的物理吸附方法，由于只容许质子和电子通过，具有更高的选择性，且适用于多种含氢气体，原料气局限性更小；且工作压力小，可实现常压甚至低压下的氢气存储，可实现最大质量密度超过9wt％。本发明中在放氢过程中通过激活的方式活化上述固体材料，使得放氢过程可在常温甚至低温至200k下进行，适用温度范围更广；且整体过程可逆，使得固体材料可以反复使用。本发明适用含氢原料气可包括氢气、含氢的天然气、丙烷、丁烷和甲醇等，比常见的吸附方法只能使用氢气，具有更广应用范围和使用价值。
附图说明
26.图1是本发明以注入电子的方式制取纯净氢气的原理示意图；
27.图2是本发明以加热的方式制取纯净氢气的原理示意图；
28.图3是本发明以光照辐射的方式制取纯净氢气的原理示意图；
29.图4是本发明利用电子注入的实施方式的质子交换膜燃料电池阳极催化剂的原理示意图；
30.图5是本发明利用氢气等离子体方法在石墨烯薄片层间存储氢气的原理示意图；
31.图6是本发明利用甲烷等离子体方法在石墨烯薄片层间存储氢气的原理示意图；
32.图7是本发明利用六方硼氮层间存储氢气的原子力显微镜图片；
33.图8是本发明利用石墨烯层间存储氢气热稳定性的原子力显微镜图片；
34.图9是本发明利用石墨烯层间存储氢气时间稳定性统计图和原子力显微镜图片；
35.图10是本发明利用石墨烯层间存放氢气时的拉曼图片。
具体实施方式
36.本发明提供了一种基于含氢原料气产生质子的方法，该基于含氢原料气产生质子的方法包括以下步骤：
37.1)选取只能渗透质子的非金属材料，非金属材料是二维材料薄膜或非金属固体材料；
38.当非金属材料是二维材料薄膜时，二维材料薄膜是石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、二硒化铌以及二硒化钨中的一种或组合；当非金属材料是非金属固体材料时，非金属固体材料是二维材料薄膜层状材料或含空腔的固体材料；二维材料薄膜层状材料是石墨烯薄片、六方氮化硼薄片、二硫化钼薄片、二硫化钨薄片、二硒化钼薄片、二硒化铌薄片以及二硒化钨薄片中的一种或组合；当固体材料是含空腔的固体材料时，含空腔的固体材料是碳纳米管、富勒烯球以及硼氮纳米管中的一种或其组合；当二维材料薄膜是石墨烯时，石墨烯的厚度是0.5nm～1mm；二维材料薄膜是六方氮化硼时，六方氮化硼的厚度是0.5nm～1mm；二维材料薄膜是二硫化钼时，二硫化钼的厚度是0.7nm～1mm；二维材料薄膜的尺寸是100nm2～1m2，优选尺寸是100nm2～100cm2；二维材料薄膜层状材料是石墨烯薄片时，石墨烯薄片的厚度是2nm～1mm；二维材料薄膜层状材料是六方氮化硼薄片时，六方氮化硼薄片的厚度是2nm～1mm；二维材料薄膜是二硫化钼薄片时，二硫化钼薄片的厚度是1.5nm～1mm；含空腔的固体材料是碳纳米管时，碳纳米管是单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，碳纳米管的管径是0.5nm-100nm，优选管径是1nm到10nm；含空腔的固体材料是富勒烯球时，富勒烯球的直径是0.7nm-10nm，优选直径是0.7nm到5nm；含空腔的固体材料的尺寸是100nm2～1m2，优选范围为100nm2～100cm2。
39.2)激活非金属材料产生催化性能，激活的具体实现方式是：将非金属材料置于等离子环境中、向非金属材料中引入电子、对非金属材料加热和/或对非金属材料进行光照辐射；
40.当激活是向非金属材料中引入电子时，引入电子的方式是扫描电子显微镜注入电子、静电发生器注入电子和/或普通电源注入电子；引入电子的电流是1pa～10a，优选5pa～5na；引入电子时所采用的电压1v～50kv，优选1v～500v；引入电子的适用温度是-250℃～1000℃；当激活是对非金属材料加热时，加热所采用的温度是30℃～800℃；当激活是对非金属材料进行光照辐射时，光照是自然光光照、人造自然光光照和/或激光光照；光照所采用的光的波长小于1000nm；光照的适用温度是-250℃～1000℃；当激活是对二维材料薄膜进行光照辐射时，二维材料薄膜的表面附着有金属铂、金属钯、和/或金属镍；当激活是对非金属固体材料进行加热时，加热温度是30℃～800℃；优选的，石墨烯薄片以及碳纳米管的加热温度是500℃～800℃；优选的，六方氮化硼薄片的加热温度是400℃～800℃；优选的，二硫化钼的薄片的加热温度是200℃～500℃；富勒烯球的加热温度是50℃～300℃。
41.3)向非金属材料的一侧通入含氢原料气，氢原料气是氢气、氩气、氨气、甲烷以及乙烷中的一种或组合。
42.4)在激活的非金属材料的催化作用下，将通入的含氢原料气分解成质子和电子。
基于如上内容，还提供了基于含氢原料气产生质子的方法在制备纯净氢气、制备氢燃料电池或储氢放氢时的应用。
43.下面将结合具体实施例，对本发明所提供的技术方案进行详细说明：
44.应用a
45.基于含氢原料气产生质子的方法用于制备纯净氢气时，具体包括以下内容：
46.1)选取二维材料薄膜，二维材料薄膜是石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、二硒化铌以及二硒化钨等多种半金属、半导体、导体和绝缘体的二维材料。当二维材料薄膜是石墨烯时，石墨烯的厚度是0.5nm～1mm，示例性的，石墨烯的厚度是单层厚到1mm，两层到100nm；二维材料薄膜是六方氮化硼时，六方氮化硼的厚度是0.5nm～1mm；示例性的，六方氮化硼厚度单层到1mm，或者单层到50nm；二维材料薄膜是二硫化钼时，二硫化钼的厚度是0.7nm～1mm；示例性的，二硫化钼厚度是单层到1mm，或者单层到50nm。二维材料薄膜的尺寸是100nm2～1m2，优选100nm2～100cm2。
47.2)激活二维材料薄膜产生催化活性，具体的激活方式是：向二维材料薄膜中引入电子(如图1所示)、对二维材料薄膜加热(如图2所示)和/或对二维材料薄膜进行光照辐射(如图3所示)。
48.其中，当激活的方式是引入电子时，引入电子是通过扫描电子显微镜注入电子、静电发生器注入电子和/或普通电源注入电子；引入电子的电流是1pa～10a，优选5pa～5na；引入电子时所采用的电压1v～50kv，优选1v～500v；引入电子的适用温度是-250℃～1000℃。当激活的方式是对二维材料薄膜加热方式时，加热所采用的温度是30℃～800℃，石墨烯的优选温度范围500℃～800℃，六方氮化硼的优选温度范围400℃～800℃，二硫化钼的优选温度范围200℃～500℃。当激活的方式是对二维材料薄膜进行光照辐射时，光照是自然光光照、人造自然光光照和/或激光光照；优选的，光照所采用的光的波长小于1000nm；优选的，光照的适用温度是-250℃～1000℃。
49.当激活的方式是对二维材料薄膜进行光照辐射时，二维材料薄膜的表面附着有金属铂、金属钯、和/或金属镍，金属铂、金属钯和/或金属镍等具有催化能力的金属，可以加速氢气提纯速率。
50.3)向二维材料薄膜中通入含氢原料气，含氢原料气包括氢气、氩气、氨气、甲烷、乙烷等含氢原料气；
51.4)在激活后的二维材料薄膜的催化作用下，将通入至二维材料薄膜的含氢原料气分解成质子和电子；
52.5)质子和电子穿过激活后二维材料薄膜重新结合后形成纯净氢气。
53.下面结合附图，对本发明所提供的技术方案做进一步解释：
54.参见图1，采用注入电子的方式实现提纯氢气，具体是：
55.1)在二维材料薄膜中注入电子，将含氢原料气通入二维材料薄膜的一侧；
56.2)在注入电子的条件下进行分离提纯，在另一侧得到纯净氢气。
57.参见图2，采用加热的方式实现提纯氢气，具体是：
58.1)将二维材料薄膜加热，将含氢原料气通入二维材料薄膜的一侧；
59.2)在加热的条件下进行分离提纯，在另一侧得到纯净氢气。
60.参见图3，采用光照辐射的方式实现提纯氢气，具体是：
以及1m2中的任一尺寸。
73.实施例4
74.利用注入电子到单层二硫化钼实现含氢原料气为原料提纯得到氢气，具体为：将氢气、氮气和氩气送入单层二硫化钼的一侧，混合气气压在1mpa，温度为200℃，二维材料薄膜为单层二硫化钼，单层二硫化钼的厚度约1nm，尺寸面积100nm2，通过静电发生器在单层二硫化钼注入电子将单层二硫化钼激活，静电发生器的电流为5na，电压为100v。在激活后的单层二硫化钼的催化作用下，将氢气中的氢原子分解成质子和电子，质子和电子可以自由穿越单层二硫化钼，待质子和电子穿过激活后的单层二硫化钼后，质子与电子结合重新形成氢气。而单层二硫化钼会完全阻断其他非质子的粒子，实现纯净氢气的提取。由于目前实验证实二硫化钼三层原子的结构只容许最小的粒子质子穿透，因此可实现提纯氢气纯度达到99.99％以上。
75.基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为单层二硫化钼的基础上，单层二硫化钼的尺寸面积还可以选自500nm2、10μm2、100μm2、500μm2、1cm2、10cm2、100cm2、500cm2以及1m2中的任一尺寸。
76.实施例5
77.利用对单层二硫化钼加热实现含氢原料气为原料提纯得到氢气(本实施例中使用能源为热能)，具体为：将氢气、氮气和氩气送入单层二硫化钼的一侧，混合气气压在1mpa，温度为200℃，二维材料薄膜为单层二硫化钼，单层二硫化钼的厚度约1nm，尺寸面积100nm2，通过加热单层二硫化钼将单层二硫化钼激活(加热会产生少量热电子)，加热温度为300℃。在受到加热的单层二硫化钼的催化作用下，将氢气分解成质子和电子，质子和电子可以自由穿越单层二硫化钼，待质子和电子穿过激活后的单层二硫化钼后，质子与电子结合重新形成氢气。而单层二硫化钼会完全阻断其他非质子的粒子，实现纯净氢气的提取。由于目前实验证实二硫化钼三层原子的结构只容许最小的粒子质子穿透，可实现提纯氢气纯度达到99.99％以上。
78.基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为单层二硫化钼的基础上，单层二硫化钼的尺寸面积还可以选自500nm2、10μm2、100μm2、500μm2、1cm2、10cm2、100cm2、500cm2以及1m2中的任一尺寸。
79.实施例6
80.利用激光辐照单层二硫化钼实现含氢原料气为原料提纯得到氢气(本实施例中使用能源为激光，即通过激光辐射的方式激发产生电子)，具体为：将氢气、氮气和氩气送入单层二硫化钼的一侧，混合气气压在1mpa，温度为200℃，二维材料薄膜为单层二硫化钼，单层二硫化钼的厚度约1nm，尺寸面积100nm2，通过激光辐照单层二硫化钼将单层二硫化钼激活，激光波长为532nm。在受到激光辐照后活化的单层二硫化钼的催化作用下，将氢气分解成质子和电子，质子和电子可以自由穿越单层二硫化钼，待质子和电子穿过激活后的单层二硫化钼后，质子与电子结合重新形成氢气。而单层二硫化钼会完全阻断其他非质子的粒子，实现纯净氢气的提取。由于目前实验证实二硫化钼三层原子的结构只容许最小的粒子质子穿透，可实现提纯氢气纯度达到99.99％以上。
81.基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为单层二硫化钼的基础上，单层二硫化钼的尺寸面积还可以选自500nm2、10μm2、100μm2、500μm2、1cm2、10cm2、100cm2、500cm2以及
1m2中的任一尺寸。在采用激光辐照时，激光的波长还可选1000nm以下的任一波长。
82.实施例7
83.利用自然光辐照单层二硫化钼实现含氢原料气为原料提纯得到氢气(本实施例中使用能源为自然光)，具体为：将氢气、氮气和氩气送入单层二硫化钼的一侧，混合气气压在1mpa，温度为200℃，二维材料薄膜为单层二硫化钼，单层二硫化钼的厚度约1nm，尺寸面积100nm2，通过自然光辐照单层二硫化钼将单层二硫化钼激活。在受到自然光辐照后活化的单层二硫化钼的催化作用下，将氢气分解成质子和电子，质子和电子可以自由穿越单层二硫化钼，待质子和电子穿过激活后的单层二硫化钼后，质子与电子结合重新形成氢气。而单层二硫化钼会完全阻断其他非质子的粒子，实现纯净氢气的提取。由于目前实验证实二硫化钼三层原子的结构只容许最小的粒子质子穿透，可实现提纯氢气纯度达到99.99％以上。
84.基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为单层二硫化钼的基础上，单层二硫化钼的尺寸面积还可以选自500nm2、10μm2、100μm2、500μm2、1cm2、10cm2、100cm2、500cm2以及1m2中的任一尺寸。
85.实施例8
86.利用激光辐照覆盖铂纳米粒子的双层石墨烯实现含氢原料气为原料提纯得到氢气(示例性的，本实施例中使用覆盖铂纳米粒子的双层石墨烯，当然覆盖金属铂也具有同等效果)，具体为：将氢气、氮气和氩气送入双层石墨烯的一侧，另一侧石墨烯覆盖铂纳米粒子，混合气气压在1mpa，温度为200℃，二维材料薄膜为覆盖铂纳米粒子的双层石墨烯，铂纳米粒子高度0.5-10nm，尺寸10nm-500nm，通过激光辐照覆盖铂纳米粒子的一侧石墨烯并将石墨烯激活，激光波长为532nm。在覆盖铂纳米粒子的双层石墨烯受到激光作用后的催化作用下，将氢气分解成质子和电子，质子和电子可以自由穿越双层石墨烯，待质子和电子穿过双层石墨烯后，质子与电子结合重新形成氢气。而双层石墨烯会完全阻断其他非质子的粒子，实现纯净氢气的提取。由于目前实验证实石墨烯蜂窝状原子结构只容许最小的粒子质子穿透，可实现提纯氢气纯度达到99.99％以上。基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为单层二硫化钼的基础上，在采用激光辐照时，激光的波长还可选自1000nm以下的任一波长。
87.应用b
88.基于含氢原料气产生质子的方法用于制备氢燃料电池时，其原理是：利用光能、热能或注入电子等手段，二维材料薄膜催化分解含氢物质生成质子的化学过程，结合二维材料薄膜只能渗透质子的特性，阻隔含氢燃料，h
+
通过质子交换膜传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极，从而实现质子交换膜燃料电池。
89.示例性的，石墨烯催化分解含氢燃料形成氢燃料电池的方法，如图4所示，具体包括：
90.1)在适用场合下的优选厚度的石墨烯中注入电子或加热，将含氢燃料通过石墨烯的一侧；
91.2)在注入电子或加热的条件下，石墨烯催化分解含氢燃料成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
通过质子交换膜传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极，形成氢燃料电池。
92.示例性的，六方氮化硼催化分解含氢燃料形成氢燃料电池的方法包括：
93.1)在适用场合下的优选厚度的六方氮化硼中注入电子或加热，将含氢燃料通过氮化硼的一侧；
94.2)在注入电子或加热的条件下，氮化硼催化分解含氢燃料成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
通过质子交换膜传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极，形成氢燃料电池。
95.示例性的，以二硫化钼等二维材料薄膜催化分解含氢燃料形成氢燃料电池的方法包括：
96.1)在适用场合下的优选厚度的二硫化钼中注入电子或加热或太阳光等的光照下，将含氢燃料通过二硫化钼的一侧；
97.2)在注入电子或加热或太阳光等的光照下，二硫化钼催化分解含氢燃料成h
‑‑
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
通过质子交换膜传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极，形成氢燃料电池。其中，浓度差是二维材料两端的质子浓度差。电势差是分解成的电子导致形成的电势差。
98.适用的二维材料薄膜与应用a中的二维材料薄膜完全相同，本应用b中不再赘述。
99.实施例9
100.利用注入电子到双层石墨烯实现含氢燃料为原料催化分解成h
‑‑
和电子，具体为：将氢气送入双层石墨烯的一侧，氢气的气压在1mpa，温度为-20℃，催化阳极膜为双层石墨烯，厚度1nm左右(双层石墨烯太薄，容易受到外界影响，所以测得的范围值1nm-1.5nm，下同)，面积100nm2，通过静电发生器在双层石墨烯注入电子，电流为5na，电压为100v。在激活的双层石墨烯的催化作用下，将氢气分解成h+和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
通过双层石墨烯传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极。
101.基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为双层石墨烯的基础上，根据适用环境调整，双层石墨烯的尺寸面积还可以选自500nm2、10μm2、100μm2、500μm2以及1mm2中的任一尺寸。
102.实施例10
103.利用注入电子到双层石墨烯实现含氢燃料为原料催化分解成h
+
和电子，具体为：将甲烷的含氢燃料送入双层石墨烯的一侧，甲烷的气压在1mpa，温度为30℃，催化阳极膜为双层石墨烯，厚度1nm左右，面积100nm2，通过静电发生器在双层石墨烯注入电子，电流为5na，电压为100v。在激活的双层石墨烯的催化作用下，将氢气分解成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
通过双层石墨烯传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极。
104.基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为双层石墨烯的基础上，根据适用环境调整，双层石墨烯的尺寸面积还可以选自500nm2、10μm2、100μm2、500μm2以及1mm2中的任一尺寸。
105.实施例11
106.利用注入电子到三层六方氮化硼含氢燃料为原料催化分解成h
+
和电子，具体为：将氢气送入三层六方氮化硼的一侧，氢气的气压在1mpa，温度为30℃，通过静电发生器在三层六方氮化硼注入电子，厚度1.6nm左右，面积100nm2，根据适用环境调整，电流为5na，电压为100v。在激活的三层六方氮化硼的催化作用下，将氢气分解成h
+
和电子，然后在浓度差以
及电势差的驱动下，h
+
通过六方氮化硼传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极。
107.基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为三层六方氮化硼的基础上，根据适用环境调整，三层六方氮化硼的尺寸面积还可以选自500nm2、10μm2、100μm2、500μm2以及1mm2中的任一尺寸。
108.实施例12
109.利用注入电子到单层二硫化钼实现含氢燃料为原料催化分解成h
+
和电子，具体为：将氢气送入单层二硫化钼的一侧，厚度0.7nm左右，面积100nm2，氢气的气压在1mpa，温度为30℃，通过静电发生器在单层二硫化钼注入电子，电流为5na，电压为100v。在激活的单层二硫化钼的催化作用下，将氢气分解成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
通过单层二硫化钼传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极。基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为单层二硫化钼的基础上，根据适用环境调整，单层二硫化钼的尺寸面积还可以选自500nm2、10μm2、100μm2、500μm2以及1mm2中的任一尺寸。
110.实施例13
111.利用对单层二硫化钼加热实现含氢燃料为原料催化分解成h
+
和电子(本实施例中使用能源为热能)，具体为：将氢气送入单层二硫化钼的一侧，厚度0.7nm左右，面积100nm2，氢气的气压在1mpa，温度为30℃，通过加热单层二硫化钼，加热温度为300℃。在激活的单层二硫化钼的催化作用下，将氢气分解成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
通过单层二硫化钼传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极。基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为单层二硫化钼的基础上，单层二硫化钼的尺寸面积还可以选自500nm2、10μm2、100μm2、500μm2、1cm2、10cm2、100cm2、500cm2以及1m2中的任一尺寸。
112.实施例14
113.利用激光辐照单层二硫化钼实现含氢燃料为原料催化分解成h
+
和电子(本实施例中使用能源为激光)，具体为：将氢气送入单层二硫化钼的一侧，厚度0.7nm左右，面积100nm2，根据适用环境调整，氢气的气压在1mpa，温度为-30℃，通过激光辐照单层二硫化钼，激光波长为532nm。在激活的单层二硫化钼的催化作用下，将氢气分解成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
通过单层二硫化钼传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极。基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为单层二硫化钼的基础上，单层二硫化钼的尺寸面积还可以选自500nm2、10μm2、100μm2、500μm2、1cm2、10cm2、100cm2、500cm2以及1m2中的任一尺寸。在采用激光辐照时，激光的波长还可选自1000nm以下的任一波长。
114.实施例15
115.利用太阳光辐照单层二硫化钼实现含氢燃料为原料催化分解成h
+
和电子(本实施例中使用能源为太阳光)，具体为：将氢气送入单层二硫化钼的一侧，厚度0.7nm左右，面积100nm2，氢气的气压在1mpa，温度为30℃，通过太阳光辐照单层二硫化钼。在激活的单层二硫化钼的催化作用下，将氢气分解成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
通过单层二硫化钼传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极。
116.基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为单层二硫化钼的基础上，单层二硫化钼的尺寸面积还可以选自500nm2、10μm2、100μm2、500μm2、1cm2、10cm2、100cm2、500cm2以及
1m2中的任一尺寸。
117.实施例16
118.利用激光辐照覆盖铂纳米粒子的双层石墨烯实现含氢燃料为原料催化分解成h
+
和电子，具体为：将氢气送入覆盖铂纳米粒子的双层石墨烯的一侧，厚度1nm左右，面积100nm2，氢气的气压在1mpa，温度为30℃，铂纳米粒子高度0.5-10nm，尺寸10nm-50nm，通过激光辐照覆盖铂纳米粒子的双层石墨烯，激光波长为532nm。在激活的双层石墨烯和铂纳米粒子的协同催化作用下，将氢气分解成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
通过覆盖铂纳米粒子的双层石墨烯传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极。
119.基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为双层石墨烯的基础上，双层石墨烯的尺寸面积还可以选自500nm2、10μm2、100μm2、500μm2、1cm2、10cm2、100cm2、500cm2以及1m2中的任一尺寸。在采用激光辐照时，激光的波长还可选自1000nm以下的任一波长。
120.实施例17
121.利用注入电子到双层石墨烯实现含氢燃料为原料催化分解成h
+
和电子，具体为：将甲醇的含氢混合气燃料送入双层石墨烯的一侧(本实施例中使用含氢燃料包括天然气、乙烷、丙烷、丁烷和甲醇等含氢燃料)，厚度1nm左右，面积100nm2，混合气气压在1mpa，温度为30℃，通过静电发生器在双层石墨烯注入电子，电流为5na，电压为100v。在激活的双层石墨烯的催化作用下，将氢气分解成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
通过双层石墨烯传递到电池的阴极，电子则通过外电路由电池阳极移动到阴极。
122.基于前述其他条件不变，在以二维材料薄膜为双层石墨烯的基础上，双层石墨烯的尺寸面积还可以选自500nm2、10μm2、100μm2、500μm2、1cm2、10cm2、100cm2、500cm2以及1m2中的任一尺寸。
123.应用c
124.基于含氢原料气产生质子的方法用于储氢放氢，其原理是：利用石墨烯片、碳纳米管、富勒烯分子、六方氮化硼和二硫化钼等固态材料只能渗透质子的特性，结合氢气等离子体、光能、热能或注入电子等手段，在固态材料层间或者空腔内实现氢气的存储；而在氢气应用时，利用光能、热能或注入电子等手段激活上述固态材料，催化分解氢气生成质子和电子，渗透出的质子和电子重新结合生成氢气，实现从固态材料层间和/或腔内释放氢气，实现氢气的储氢放氢。
125.具体方法是：包括储氢过程以及放氢过程，其中，储氢过程包括以下步骤：
126.a1)选取只能渗透质子的非金属材料；
127.a2)激活非金属材料产生催化性能；
128.a3)向非金属材料的一侧通入含氢原料气；
129.a4)在激活的非金属材料的催化作用下，将通入的含氢原料气分解成质子和电子；或直接利用氢气等离子体技术使得含氢原料气产生质子和电子；
130.a5)质子和电子渗透至激活后的非金属材料中，在非金属材料中重新结合后形成纯净氢气并存储在非金属材料中，完成在非金属材料中的储氢；
131.放氢过程包括以下步骤：
132.b1)激活含有氢气的非金属材料并产生催化性能；
133.b2)在激活的非金属材料的催化下，非金属材料中储存的氢气被分解成质子和电子；
134.b3)经过步骤b2)所得到的质子和电子穿过激活后的非金属材料重新结合后形成纯净氢气，完成从非金属材料中的放氢。
135.以石墨烯薄片、六方氮化硼薄片或二硫化钼等二维材料薄片为例，进行如下说明：
136.石墨烯薄片中高密度的储氢和可逆吸/放氢，其储氢的方式是：
137.1)在适用场合下的优选厚度的石墨烯薄片中，将含氢气体通入石墨烯薄片所处空间，随后施加等离子体、热能或注入电子等手段；
138.2)在等离子体的条件下，含氢气体(如图5中的氢气或图6中的甲烷)被分解成h
+
和电子，h
+
和电子穿越进入石墨烯层间，重新结合形成纯净氢气，存储于石墨烯层间；此时，具体地，存储于50-100nm的石墨烯薄片的石墨烯层间的氢气热稳定性优异，分别在真空中150℃、300℃、400℃下加热4小时石墨烯层间氢气均没有减少(如图8所示)；且时间稳定性非常好，具有不同的高度的4个样品在大气条件下保存3-4个月氢气均没有减少(如图9所示)。同样，在注入电子或加热的条件下，激活的石墨烯催化分解含氢气体成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
和电子穿越进入石墨烯层间，重新结合形成纯净氢气，存储于石墨烯层间，层间氢气同样具有优异的热稳定性和时间稳定性。
139.其放氢的过程是：
140.放氢时，利用光能、热能或注入电子等手段激活石墨烯薄片，催化分解层间氢气生成质子和电子，渗透出的质子和电子重新结合生成氢气，实现从固态材料层间和/或腔内释放氢气。储氢和放氢的整个过程中不破坏石墨烯材料的本征结构(如图10所示)，可重复利用和实现长服役寿命。
141.六方氮化硼薄片中高密度的储氢和可逆吸/放氢的过程是：
142.储氢：
143.1)在适用场合下的优选厚度的六方氮化硼薄片中，将含氢气体通入六方氮化硼薄片所处空间，随后施加等离子体、热能或注入电子等手段；
144.2)在等离子体的条件下，含氢气体被分解成h
+
和电子，h
+
和电子穿越进入六方氮化硼层间，重新结合形成氢气，存储于六方氮化硼层间；在注入电子或加热的条件下，激活的六方氮化硼催化分解含氢气体成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
和电子穿越进入六方氮化硼层间，重新结合形成氢气，存储于六方氮化硼层间，如图7所示，是利用六方硼氮层间存储氢气的原子力显微镜图片。
145.放氢：
146.利用光能、热能或注入电子等手段激活六方氮化硼薄片，催化分解层间氢气生成质子和电子，渗透出的质子和电子重新结合生成氢气，实现从固态材料层间和/或腔内释放氢气。
147.二硫化钼等二维材料薄片中高密度的储氢和可逆吸/放氢的过程是：
148.储氢：
149.1)在适用场合下的优选厚度的二硫化钼中，利用等离子体、注入电子或加热或太阳光等的光照下，将含氢气体通入二硫化钼薄片所处空间；
150.2)在等离子体的条件下，含氢气体被分解成h
+
和电子，h
+
和电子穿越进入二硫化钼
层间，重新结合形成氢气，存储于二硫化钼层间；在注入电子或加热或太阳光等光照的条件下，激活的二硫化钼催化分解含氢气体成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
和电子穿越进入六方氮化硼层间，重新结合形成氢气，存储于六方氮化硼层间。
151.放氢：
152.利用热能或注入电子等手段激活二硫化钼薄片，催化分解层间氢气生成质子和电子，渗透出的质子和电子重新结合生成氢气，实现从固态材料层间和/或腔内释放氢气。
153.碳纳米管、富勒烯、硼氮管等低维的含空腔材料中高密度的储氢和可逆吸/放氢的过程是：
154.储氢：
155.1)在适用场合下的优选直径的含空腔材料中，将含氢气体通入空腔材料所处空间，随后施加等离子体、热能或注入电子等手段；
156.2)在等离子体的条件下，含氢气体被分解成h
+
和电子，h
+
和电子穿越进入空腔材料的腔内，重新结合形成氢气，存储于空腔材料的腔内；在注入电子或加热等条件下，激活的空腔材料催化分解含氢气体成h
+
和电子，然后在浓度差以及电势差的驱动下，h
+
和电子穿越进入空腔材料的腔内，重新结合形成氢气，存储于空腔材料的腔内。
157.放氢：
158.利用光能、热能或注入电子等手段激活空腔材料，催化分解腔内的氢气生成质子和电子，渗透出的质子和电子重新结合生成氢气，实现从固态材料层间和/或腔内释放氢气。
159.固体材料薄膜为石墨烯，六方氮化硼，二硫化钼，二硫化钨，二硒化钼，二硒化铌，二硒化钨等多种半金属、半导体、导体和绝缘体的层状材料、碳纳米管、富勒烯、硼氮纳米管等含空腔固体材料。
160.等离子体是由辅助化学气相沉积装置(现有技术)提供，该辅助化学气相沉积装置包括等离子发生器，干泵，分子泵，石墨加热板等。其中等离子发生器为电感耦合等离子体，功率可调范围为5w～500w，装备可调压强10-5
pa～1atm，装备可控温度范围20℃～800℃。在利用等离子体储氢程中，优选的功率为10w～100w。等离子技术通过调节反应的温度、压强、反应气流量，加热时间，等离子强度和反应时间，反应温度为50℃～800℃，优选范围100℃～800℃；压力为10-5
pa～1atm，优选范围10-2
pa～102pa；载气可为甲烷、氮气、氩气、氧气、氢气等；气流量为5～2000sccm优选范围为10sccm～500sccm；加热时间5s～5h优选范围为30min～2h；反应时间为5s～7200s优选范围为30s～1000s。
161.注入电子的方式与应用a中的完全相同，本应用c不再赘述。
162.当采用加热方式激活时，加热温度30℃～800℃，当采用石墨烯薄片或碳纳米管时，加热温度优选是500℃～800℃；当采用六方氮化硼薄片时，加热温度优选400℃～800℃；当采用二硫化钼薄片时，加热温度优选200℃～500℃；当采用富勒烯薄片时，加热温度优选50℃～300℃。
163.实施例17
164.通过等离子辅助在石墨烯薄片中存储氢气，并通过电子注入方式激活石墨烯放氢，具体为：将石墨烯薄片放入等离子体辅助化学气相沉积装置内，石墨烯薄片四层厚(约2nm厚度)，尺寸面积优选100μm2。待反应室压强《10-4
pa，然后通入氢气，具体为氢气
180sccm，通过调压阀门稳定反应室压强为6pa，升温至500℃，然后保持10min以保证衬底热均匀。开启电感耦合等离子发生器，具体功率为10w，通过改变等离子时间来控制石墨烯薄薄片层间储氢含量，本实施例所采用的时间为300s。完成后关闭加热自然降温，最后取出样品。制备的样品，利用原子力显微镜观察石墨烯薄片层间氢气气泡的数量和尺寸。根据气泡的数量和尺寸，可以算出石墨烯薄片层间氢气存储的含量，计算得到最高氢气质量密度为9wt％。
165.放氢时，通过静电发生器在上述已获得的存储氢气的石墨烯薄片样品中，注入电子将石墨烯激活，静电发生器的电流为5na，电压为100v。在激活的石墨烯的催化作用下，将氢气的氢原子分解成质子和电子，质子和电子可以自由穿越石墨烯，待质子和电子穿过激活后的石墨烯后，质子与电子结合重新形成氢气，实现纯净氢气的释放。
166.实施例18
167.通过等离子辅助在石墨烯薄片中存储氢气，并通过电子注入方式激活石墨烯放氢，具体为：将石墨烯薄片放入等离子体辅助化学气相沉积装置内，石墨烯薄片四层厚(约2nm厚度)，尺寸面积优选100μm2。待反应室压强《10-4
pa，然后通入甲烷(或乙烷等含氢气体)，具体为甲烷100sccm，通过调压阀门稳定反应室压强为6pa，升温至500℃，然后保持10min以保证衬底热均匀。开启电感耦合等离子发生器，具体功率为10w，通过改变等离子时间来控制石墨烯薄薄片层间储氢含量，时间为300s。完成后关闭加热自然降温，最后取出样品。制备的样品，利用原子力显微镜观察石墨烯薄片层间氢气气泡的数量和尺寸。根据气泡的数量和尺寸，可以算出石墨烯薄片层间氢气存储的含量，计算得到最高氢气质量密度为9wt％。
168.放氢时，通过静电发生器在上述已获得的存储氢气的石墨烯薄片样品中，注入电子将石墨烯激活，静电发生器的电流为5na，电压为100v。在激活的石墨烯的催化作用下，将氢气的氢原子分解成质子和电子，质子和电子可以自由穿越石墨烯，待质子和电子穿过激活后的石墨烯后，质子与电子结合重新形成氢气，实现纯净氢气的释放。
169.实施例19
170.通过等离子辅助在六方氮化硼薄片中存储氢气，并通过电子注入方式激活六方氮化硼放氢，具体为：将六方氮化硼薄片放入等离子体辅助化学气相沉积装置内，六方氮化硼薄片四层厚(约2nm厚度)，尺寸面积优选100μm2。待反应室压强《10-4
pa，然后通入氢气，具体为氢气180sccm，通过调压阀门稳定反应室压强为6pa，升温至500℃，然后保持10min以保证衬底热均匀。开启电感耦合等离子发生器，具体功率为30w，通过改变等离子时间来控制六方氮化硼薄薄片层间储氢含量，时间为60s。完成后关闭加热自然降温，最后取出样品。制备的样品，利用原子力显微镜观察六方氮化硼薄片层间氢气气泡的数量和尺寸。根据气泡的数量和尺寸，可以算出六方氮化硼薄片层间氢气存储的含量，计算得到最高氢气质量密度为9.5wt％。
171.放氢时，通过静电发生器在上述已获得的存储氢气的六方氮化硼薄片样品中，注入电子将六方氮化硼激活，静电发生器的电流为5na，电压为100v。在激活的六方氮化硼的催化作用下，将氢气的氢原子分解成质子和电子，质子和电子可以自由穿越六方氮化硼，待质子和电子穿过激活后的六方氮化硼后，质子与电子结合重新形成氢气，实现纯净氢气的释放。
172.实施例20
173.通过等离子辅助在二硫化钼薄片中存储氢气，并通过激光方式激活二硫化钼放氢，具体为：将二硫化钼薄片放入等离子体辅助化学气相沉积装置内，二硫化钼薄片2nm厚，尺寸面积优选100μm2。待反应室压强《10-4
pa，然后通入氢气，具体为氢气180sccm，通过调压阀门稳定反应室压强为6pa，升温至500℃，然后保持10min以保证衬底热均匀。开启电感耦合等离子发生器，具体功率为10w，通过改变等离子时间来控制二硫化钼薄薄片层间储氢含量，一般时间为600s。完成后关闭加热自然降温，最后取出样品。制备的样品，利用原子力显微镜观察二硫化钼薄片层间氢气气泡的数量和尺寸。根据气泡的数量和尺寸，可以算出二硫化钼薄片层间氢气存储的含量，计算得到最高氢气质量密度为2.8wt％。
174.放氢时，通过静电发生器在上述已获得的存储氢气的二硫化钼薄片样品中，通过激光辐照激活二硫化钼，激光波长为532nm。在激活的二硫化钼的催化作用下，将氢气的氢原子分解成质子和电子，质子和电子可以自由穿越二硫化钼，待质子和电子穿过激活后的二硫化钼后，质子与电子结合重新形成氢气，实现纯净氢气的释放。
175.在采用激光辐照时，激光的波长还可选自1000nm以下的任一波长。
176.实施例21
177.通过等离子辅助在二硫化钼薄片中存储氢气，并通过自然光方式激活二硫化钼放氢，具体为：将二硫化钼薄片放入等离子体辅助化学气相沉积装置内，二硫化钼薄片2nm厚，尺寸面积优选100μm2。待反应室压强《10-4
pa，然后通入氢气，具体为氢气180sccm，通过调压阀门稳定反应室压强为6pa，升温至400℃，然后保持10min以保证衬底热均匀。开启电感耦合等离子发生器，具体功率为20w，通过改变等离子时间来控制二硫化钼薄薄片层间储氢含量，一般时间为200s。完成后关闭加热自然降温，最后取出样品。制备的样品，利用原子力显微镜观察二硫化钼薄片层间氢气气泡的数量和尺寸。根据气泡的数量和尺寸，可以算出二硫化钼薄片层间氢气存储的含量，计算得到最高氢气质量密度为2.8wt％。
178.放氢时，通过静电发生器在上述已获得的存储氢气的二硫化钼薄片样品中，通过自然光辐照激活二硫化钼，将氢气的氢原子分解成质子和电子，质子和电子可以自由穿越二硫化钼，待质子和电子穿过激活后的二硫化钼后，质子与电子结合重新形成氢气，实现纯净氢气的释放。
179.实施例22
180.通过等离子辅助在二硫化钼薄片中存储氢气，并通过加热方式激活二硫化钼放氢，具体为：将二硫化钼薄片放入等离子体辅助化学气相沉积装置内，二硫化钼薄片2nm厚，尺寸面积优选100μm2。待反应室压强《10-4
pa，然后通入氢气，具体为氢气180sccm，通过调压阀门稳定反应室压强为6pa，升温至200℃，然后保持10min以保证衬底热均匀。开启电感耦合等离子发生器，具体功率为10w，通过改变等离子时间来控制二硫化钼薄薄片层间储氢含量，一般时间为600s。完成后关闭加热自然降温，最后取出样品。制备的样品，利用原子力显微镜观察二硫化钼薄片层间氢气气泡的数量和尺寸。根据气泡的数量和尺寸，可以算出二硫化钼薄片层间氢气存储的含量，计算得到最高氢气质量密度为2.8wt％。
181.放氢时，通过静电发生器在上述已获得的存储氢气的二硫化钼薄片样品中，通过加热的方式激活二硫化钼，加热温度为300℃。在受到加热的单层二硫化钼的催化作用下，将氢气的氢原子分解成质子和电子，质子和电子可以自由穿越二硫化钼，待质子和电子穿
过激活后的二硫化钼后，质子与电子结合重新形成氢气，实现纯净氢气的释放。
182.实施例23
183.通过注入电子的方式辅助在二硫化钼薄片中存储氢气，并通过激光的方式激活二硫化钼放氢，具体为：将氢气送入二硫化钼薄层的一侧，氢气的气压在3mpa，二硫化钼的厚度约10nm，尺寸面积100nm2，通过电子注入方式激活二硫化钼，静电发生器的电流为5na，电压为100v。在受到电子注入的单层二硫化钼的催化作用下，将氢气分解成质子和电子，在浓度差驱动下，质子和电子可以自由穿越二硫化钼，待质子和电子穿过二硫化钼后，质子与电子结合重新形成氢气。制备的样品，利用原子力显微镜观察二硫化钼薄片层间氢气气泡的数量和尺寸。根据气泡的数量和尺寸，可以算出二硫化钼薄片层间氢气存储的含量，计算得到最高氢气质量密度为2.8wt％。
184.放氢时，通过静电发生器在上述已获得的存储氢气的二硫化钼薄片样品中，通过激光辐照激活二硫化钼，激光波长为532nm。在激活的二硫化钼的催化作用下，将氢气的氢原子分解成质子和电子，质子和电子可以自由穿越二硫化钼，待质子和电子穿过激活后的二硫化钼后，质子与电子结合重新形成氢气，实现纯净氢气的释放。在采用激光辐照时，激光的波长还可选自1000nm以下的任一波长。
185.实施例24
186.通过等离子辅助在单壁碳纳米管中空腔存储氢气，并通过电子注入方式激活单壁碳纳米管放氢，具体为：将单壁碳纳米管放入等离子体辅助化学气相沉积装置内，单壁碳纳米管管径1nm-3nm，平铺的碳纳米管薄膜尺寸面积优选500μm2，薄膜厚度3nm。待反应室压强《10-4
pa，然后通入氢气，具体为氢气180sccm，通过调压阀门稳定反应室压强为6pa，升温至800℃，然后保持10min以保证衬底热均匀。开启电感耦合等离子发生器，具体功率为10w，通过改变等离子时间来控制石墨烯薄薄片层间储氢含量，时间为600s。完成后关闭加热自然降温，最后取出样品。制备的样品，利用高精度天平称重，计算得到质量密度约5wt％。
187.放氢时，通过静电发生器在上述已获得的存储氢气的单壁碳纳米管样品中，注入电子将单壁碳纳米管激活，静电发生器的电流为5na，电压为100v。在激活的单壁碳纳米管的催化作用下，将氢气的氢原子分解成质子和电子，质子和电子可以自由穿越单壁碳纳米管，待质子和电子穿过激活后的单壁碳纳米管后，质子与电子结合重新形成氢气，实现纯净氢气的释放。
188.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法，其特征在于，所述基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法包括以下步骤：1）选取二维材料薄膜；2）激活二维材料薄膜产生催化性能；3）向二维材料薄膜的一侧通入含氢原料气；4）在激活的二维材料薄膜的催化作用下，将通入的含氢原料气分解成质子和电子；5）在浓度差以及电势差的驱动下，将步骤4）所制备得到的质子通过二维材料薄膜传递到电池的阴极，电子通过外电路由电池阳极移动到阴极，形成氢燃料电池。2.根据权利要求1所述的基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法，其特征在于，所述二维材料薄膜是石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硒化钼、二硒化铌以及二硒化钨中的一种或组合。3.根据权利要求2所述的基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法，其特征在于，所述二维材料薄膜是石墨烯时，所述石墨烯的厚度是0.5nm~1mm；所述二维材料薄膜是六方氮化硼时，所述六方氮化硼的厚度是0.5nm~1mm；所述二维材料薄膜是二硫化钼时，所述二硫化钼的厚度是0.7nm~1mm。4.根据权利要求3所述的基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法，其特征在于，所述二维材料薄膜的尺寸是100nm2~1m2，优选尺寸是100nm2~100cm2。5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法，其特征在于，所述步骤2）中的激活的具体实现方式是：向二维材料薄膜中引入电子、对二维材料薄膜加热和/或对二维材料薄膜进行光照辐射。6.根据权利要求5所述的基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法，其特征在于，所述步骤2）中的激活是向二维材料薄膜中引入电子时，引入电子的方式是扫描电子显微镜注入电子、静电发生器注入电子和/或普通电源注入电子；引入电子的电流是1pa~10a，优选5pa~5na；引入电子时所采用的电压1v~50kv，优选1v~500v；引入电子的适用温度是-250℃~1000℃。7.根据权利要求5所述的基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法，其特征在于：所述步骤2）中的激活是对二维材料薄膜加热时，加热所采用的温度是30℃~800℃。8.根据权利要求5所述的基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法，其特征在于：所述步骤2）中的激活是对二维材料薄膜进行光照辐射时，所述光照是自然光光照、人造自然光光照和/或激光光照；所述光照所采用的光的波长小于1000nm；所述光照的适用温度是-250℃~1000℃。9.根据权利要求8所述的基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法，其特征在于，所述步骤2）中激活是对二维材料薄膜进行光照辐射时，所述二维材料薄膜的表面附着有金属铂、金属钯、和/或金属镍。10.根据权利要求5所述的基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法，其特征在于：所述步骤3）中的氢原料气是氢气、氩气、氨气、甲烷以及乙烷中的一种或组合。

技术总结
本发明涉及一种基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法，包括：1）选取二维材料薄膜；2）激活二维材料薄膜产生催化性能；3）向二维材料薄膜的一侧通入含氢原料气；4）在激活的二维材料薄膜的催化作用下，将通入的含氢原料气分解成质子和电子；5）在浓度差以及电势差的驱动下，将步骤4）所制备得到的质子通过二维材料薄膜传递到电池的阴极，电子通过外电路由电池阳极移动到阴极，形成氢燃料电池。本发明提供了一种不受环境条件的影响、适用温度范围更广的基于含氢原料气产生氢燃料电池的方法。于含氢原料气产生氢燃料电池的方法。于含氢原料气产生氢燃料电池的方法。


技术研发人员：高力波 徐洁 刘伟林 唐文娜 袁国文
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/10/11